專利名稱：電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制裝置，屬電熱控制技術(shù)領(lǐng)域，適用于單相或多相電弧爐電極升降自動控制。
目前，國內(nèi)外電氣-機械式電極自動調(diào)節(jié)器，均存在著以下幾個共同問題1.電極速度按某一固定規(guī)律控制，即使是運行在二、三條特性曲線上，也都是靠手動轉(zhuǎn)換，如

圖1所示圖1中V-電極速度Vm-最大電極速度X-被控量(電流、阻抗、功率等)XH-給定被控量a、b、c分別為三根特性曲線特性曲線以外的區(qū)域不是運行點，由此可見，電極速度不可能都是最佳數(shù)值，速度過高，造成超調(diào)，引起新的波動;速度過低，消除被控量波動的時間長，電弧燃燒難以穩(wěn)定。
2.在不同的冶煉時期，由于爐內(nèi)溫度不同，弧柱電壓梯度變化甚大，比如，熔化期為10～12(伏/毫米)，而精煉期只有1.1～1.2(伏/毫米)。按現(xiàn)行電爐變壓器的供電電壓等級，熔化期弧長約8～10毫米，而精煉期弧長可達50～70毫米，這表明，每調(diào)整單位長度的弧長所得到電流變化的結(jié)果是很不相同的。這就要求電極自動調(diào)節(jié)器在不同冶煉時期有不同的調(diào)節(jié)靈敏度。
原有的電極自動調(diào)節(jié)器，均為手動調(diào)節(jié)靈敏度，這就不能用最佳的靈敏度去調(diào)整被控量(電流、阻抗、功率等)，使之迅速回復到給定值，如熔化期靈敏度過高，會造成電極串動，導致熔化期時間加長;靈敏度過低，又會使調(diào)節(jié)器消除短路及斷弧的能力下降。
3.為了適應電弧在穩(wěn)定狀態(tài)下電氣參數(shù)的自然波動，電極自動調(diào)節(jié)器必須設(shè)計有一定的不調(diào)節(jié)區(qū)域，稱非靈敏區(qū)。不同的冶煉時期應有不同的非靈敏區(qū)。
原有的電極自動調(diào)節(jié)器，非靈敏區(qū)是由靈敏度決定的，靈敏度高，速度高，非靈敏區(qū)小，反之，靈敏度低，速度低，非靈敏區(qū)大，這就不能適應冶煉需要，例如，精煉期需要非靈敏區(qū)小，以嚴格控制冶煉電流(功率)，防止鋼水溫度忽高忽低，但并不要求高的速度。這樣可以減少傳動機械磨損。
4.原有的電極自動調(diào)節(jié)器，因傳動機械的非靈敏區(qū)大于控制電氣的非靈敏區(qū)，就時常出現(xiàn)電氣已進入線性調(diào)節(jié)范圍，而機械仍在非靈敏區(qū)內(nèi)，結(jié)果是執(zhí)行電機已有相當數(shù)值的電流通過，而機械不轉(zhuǎn)，導致發(fā)熱而損害電機。
國外的一些電弧爐控制系統(tǒng)，如US4096344、DT3009731等，采用了一些數(shù)字電路的元件來實現(xiàn)對電極的控制，而沒有用微處理機來控制，因此、沒有自適應控制能力。
為了解決上述存在的問題，進一步提高電極自動調(diào)節(jié)器的技術(shù)性能和使用功能，發(fā)明了電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制裝置。
本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3。
整個系統(tǒng)由一臺微處理機控制多相電路，圖3給出了一相的結(jié)構(gòu)框圖，其它相相同。
本發(fā)明的電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制裝置由下述元件組成電弧電流檢測元件1，橋式整流2，濾波電路3、弧流限值處理4，電弧電壓檢測元件5，橋式整流6，濾波電路7，弧壓限值處理8，A/D轉(zhuǎn)換9，微處理機10，D/A轉(zhuǎn)換11，信號放大處理元件12，備用控制電路14，PI比例積分放大元件15、上升可控硅觸發(fā)器16，下降可控硅觸發(fā)器17，上升可控硅18，下降可控硅19，SD交流雙電機20，CF測速發(fā)電機21，微分電路22，單穩(wěn)態(tài)電路23和DJ繼電器24。
本發(fā)明的電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制裝置的工作過程如下
電弧電流檢測元件1將煉鋼時的交流電弧電流按比例取進來，經(jīng)過橋式整流2變成直流，由濾波電路3變成平直的直流，再經(jīng)弧流限值處理4，成為可進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的弧流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換9，以數(shù)字量送入微處理機10。
與弧流相似，圖3中，電弧電壓檢測元件5將煉鋼時電極上的交流電弧電壓按比例取進來，經(jīng)過橋式整流6變成直流，由濾波電路7變成平直的直流，再經(jīng)弧壓限值處理8，成為可進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的弧壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換9，送入微處理機10。
微處理機10中存有鍵入的給定電力負荷曲線，微處理機將測得的弧流，弧壓與給定電力負荷曲線進行比較分析，計算得出一控制信號，該信號是數(shù)字量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換11，變成模量，經(jīng)信號放大處理元件12，變成所需的正、負控制電壓。
當微處理機10正常運行時，能連續(xù)發(fā)出矩形脈沖，經(jīng)微分電路22，變成連續(xù)的一正一負的尖脈沖，而其中的負脈沖能使單穩(wěn)態(tài)電路23翻轉(zhuǎn)，只要占空比足夠大，就能使DJ繼電器24牢固吸合，則常開接點DJ1閉合，微處理機10輸出的控制信號參加控制。若微處理機10出現(xiàn)故障，則DJ繼電器24的常閉接點DJ2閉合，微處理機退出控制，控制信號由備用控制電路14供給。
在圖3中，控制信號Vgn與速度負反饋信號Vfn合成后，送入PI比例積分放大元件15，若PI輸出負電壓信號，則經(jīng)上升可控硅觸發(fā)器16，變成能觸發(fā)可控硅的脈沖信號去觸發(fā)上升可控硅18，可控硅連結(jié)為三相半控形式，以控制SD交流雙電機20的上升定子繞組的端電壓，使電機正轉(zhuǎn)，電極提升，電弧拉長，電流減小。
若PI輸出正電壓信號，則經(jīng)下降可控硅觸發(fā)器17，變成脈沖信號，去觸發(fā)下降可控硅19，以控制SD的下降定子繞組的端電壓，使電機反轉(zhuǎn)，電極下降，電弧縮短，電流加大。交流電機的速度是通過CF測速發(fā)電機21反饋到比例積分放大元件15中的。
下面是本發(fā)明的一個具體實施例總系統(tǒng)分三部分微處理機控制電路，可控硅調(diào)壓電路，交流雙電機。
一、微處理機控制電路如圖4，圖中劃出了一相電路，其它相相同。
圖4所示的工作原理如下弧流從濾波電路3出來，到弧流限值處理4，在4中，由電位器R1、R3;電阻R2、R4、R5;穩(wěn)壓管W1;電子開關(guān)14051片;雙穩(wěn)態(tài)鎖存器7475片組成。該電路主要特征在于將從零到數(shù)倍額定弧流的大范圍變動弧流信號限制在零到小于3倍額定弧流范圍內(nèi)，弧流信號等分在R4、R5兩個電阻上，用兩個通道采樣求和來得到完整的弧流信號，以提高測量精度和計算精度。
弧流信號分兩部分采樣的作法弧流信號等分在R4、R5兩個電阻上，兩個電阻的高電位端(1)、(2)分別與0816片的0通道38腳，1通道39腳相連，兩個電阻的低電位端(2)、(3)分別與電子開關(guān)14051片的13、14腳相連、電阻R4上的電壓是弧流信號的第一部分，由0通道采樣。微處理機執(zhí)行0通道采樣的指令時，電路作以下的工作通過接口地址片選信號PS2，地址線A0、A1及外設(shè)寫信號IOW組合成一信號送入0816片的32腳及16腳，7475片的4腳及13腳，起動0816片采樣，同時7475片將0通道號這個數(shù)據(jù)鎖存起來，0816片根據(jù)鎖存的數(shù)據(jù)，使0通道的電子開關(guān)接通，而電子開關(guān)14051片根據(jù)鎖存的數(shù)據(jù)使13腳與3腳相通，因3腳接地，故電阻R4的低電位端(2)接地，R4的電壓送到模數(shù)轉(zhuǎn)換片的0通道，開始采樣，采樣完畢，0816片從13腳發(fā)出信號，此時可從外設(shè)接口(90H)檢測到數(shù)據(jù)線的最高位D7為1。
微處理機得到取采樣的數(shù)據(jù)的指令時，通過PS2地址線A0、A1及外設(shè)讀信號IOR組成一信號送到0816片的21腳，使0816片輸出選通，向數(shù)據(jù)線輸出模量轉(zhuǎn)換數(shù)，由累加器A將數(shù)據(jù)保存起來。用同樣方法，利用1通道采到R5上的電壓，兩者求和即為弧流信號。
弧壓從濾波電路7出來到弧壓限值處理8，在8中，由電阻R7、R8、R10、R11;電位器R，及穩(wěn)壓管W2，電子開關(guān)14051片和雙穩(wěn)鎖存器7475片組成，其中14051片和7475片與弧流和雙穩(wěn)鎖存器7475片組成，其中14051片和7475片與弧流限值處理4公用。主要特征是限弧壓信號不大于一定值，且達到要求的線性度。弧壓信號分兩部分檢測，以提高測量精度及計算精度。
微處理機有四個通道輸出，控制四相運行，其中一相是備用相，數(shù)模轉(zhuǎn)換11的工作過程為，微處理機通過外設(shè)寫信號IOW和接口地址片選信號PS6，經(jīng)或非門及反門后，送到電子開關(guān)14051片的3腳，根據(jù)地址線最低兩位A0、A1的狀態(tài)。分別選中3腳與13腳相通，或分別與14腳、15腳、12腳相通，即用電子開關(guān)選擇四個輸出通道中的一個，若3腳與13腳相通，則上述信號經(jīng)反門后送到對應的兩個四位雙穩(wěn)鎖存器7475片的4腳與13腳，兩個7475片即把要轉(zhuǎn)換成模量的八位數(shù)鎖存起來，并送到數(shù)模轉(zhuǎn)換片DAC0808的5至12腳進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，模量信號以電流形式從4腳輸出，經(jīng)運算放大器F1放大處理，得到所需的正的或負的控制信號。
由于煉鋼是連續(xù)作業(yè)，要求設(shè)備任何時候都不能失控，尤其是精煉期，各種設(shè)備都不允許發(fā)生故障，否則會造成整爐鋼水報廢或設(shè)備事故。而電爐控制室環(huán)境差，灰塵大，溫度高，電磁干擾嚴重，濕度變化大，要求電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機裝置，在對工作環(huán)境不采取任何措施的條件下可靠工作，除要求微機控制電路提高適應能力外，還考慮微機萬一故障時，它必須自動退出運行，因此采取了下列措施。
當微處理機按正常程序運行時，在PIO的B口的最高位，PB7發(fā)出連續(xù)均勻的矩形脈沖，該脈沖經(jīng)一反相器后加在微分電容1C上，得到一正一負尖脈沖，其中負脈沖使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)，從而使繼電器DJ得電，利用電容2C延時，使經(jīng)單穩(wěn)態(tài)整形的脈沖占空比盡量大，繼電器DJ牢固吸合，常開接點DJ1閉合，微處理機投入控制。微處理機不正常運行，無脈沖發(fā)出，由于電容1C的隔離作用，繼電器DJ不得電，微處理機退出運行，備用控制電路自動投入運行。設(shè)備可靠性大大提高。
微處理機在小于100毫秒時間內(nèi)，對三相弧流，弧壓分別檢測、分析、判斷、計算，最后輸出，控制電極速度一次，實現(xiàn)對電極速度按最優(yōu)控制理論進行適時，瞬態(tài)控制。
微處理機按最優(yōu)控制理論控制電極速度，用幾例說明。
1.為了獲得電極對電弧最快速度的跟蹤，采用了包含著較窄性區(qū)的非線性控制特性，稱之為砰-砰特性，因此，當弧流與給定的電力負荷曲線比較，只要超過規(guī)定的偏差，立即控制電極以最高速運行，以最快速消除大偏差。
2.當弧流、弧壓偏差進入線性調(diào)節(jié)區(qū)，為了既快速，又不超調(diào)，就要具體處理。首先按當時的變化情況，定出非靈敏區(qū)的大小，若偏差在非靈敏區(qū)內(nèi)，立即停止電極運行;若偏差不在當時的非靈敏區(qū)內(nèi)，計算當時的靈敏度及偏差和控制信號，去控制電極速度。又若該控制信號小，不足使電機轉(zhuǎn)動，則增大控制信號，使電機轉(zhuǎn)動。
3.若弧壓低于規(guī)定值，電流有一定值，立即控制電極以最高速上升。
4.電機堵轉(zhuǎn)，立即減少控制信號，使電機中電流降到安全值。
上述幾例說明幾個特征1.利用恒電流工作原理及電極的快速性，準確跟蹤電弧，來實現(xiàn)最優(yōu)控制;
2.不同時期，靈敏度自適應變化;
3.不同時期，非靈敏區(qū)自適應變化;
4.運行中的特殊情況，特殊處理;
5.保護電機;
6.達到了控制智能化，工作點運行在一特性區(qū)域，如圖2所示。
圖中I-弧流IH-給定弧流V-電極速度Vm-最大電極速度在圖2中，多邊形BCDEFG及多邊形B′C′D′E′F′G′內(nèi)的任何一點及線段C′C和GH上的任何一點，均可能是本裝置的某一瞬間的運行點。具體運行在哪個點上，由當時微機檢測、分析、計算確定。
從這圖看出靈敏度與非靈敏區(qū)相互無關(guān)，每瞬間控制規(guī)律在變化，也包含著許多特殊情況的特殊控制，因此，完全能實現(xiàn)隨時運行在最佳狀態(tài)。上述的微處理機最好是以Z80CPU為芯片的專用機。
二、可控硅調(diào)壓電路工作原理如前面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介。
三、交流雙電機交流雙電機是本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，為了取得系統(tǒng)的快速性，它是一特制的專用電機，一個空心鋼質(zhì)轉(zhuǎn)子，兩個異步電機定子，一個負責上升，一個負責下降，互為制動，故稱雙電機，其特點轉(zhuǎn)動慣量小，起動力矩大，全封閉，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
本發(fā)明的優(yōu)點1.微處理機控制，使控制智能化，能實現(xiàn)電極速度按最優(yōu)控制理論被適時瞬態(tài)控制，始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)，獲得了電極對電弧電流的快速準確的跟蹤，穩(wěn)定電弧電流，減少了短路及斷路次數(shù)，縮短了每次短路及斷弧時間，從而縮短了熔化時間，減少了電能損耗。
2.靈敏度的自適應變化，代替了原手動轉(zhuǎn)換，滿足了煉鋼各時期需靈敏度不同的要求，取得了整個煉鋼過程的無超調(diào)快速跟蹤，電弧燃燒穩(wěn)定。
3.非靈敏區(qū)的自適應變化，滿足了煉鋼各時期的不同跟蹤精度要求，躲開了電弧穩(wěn)定燃燒時的自然波動，減少了傳動機械磨損。
4.采用了有弧壓控制的恒電流供電原則，進一步縮短了冶煉時間，降低了煉鋼電耗。
5.能按給定負荷曲線運行，電能的輸入及爐內(nèi)溫度達到良好控制。
6.微處理機在小信號時的階躍輸出控制，克服了原調(diào)節(jié)器線性調(diào)節(jié)時，存在的小信號時電機中流過相當數(shù)值的電流而電機轉(zhuǎn)不動的現(xiàn)象，保護了電機。
7.電機堵轉(zhuǎn)時，能自動減小電機中的電流到完全值，保護了電機和電極。
8.電弧電流調(diào)節(jié)范圍大，達到1∶10。
9.微處理機出現(xiàn)故障，能自動退出，備用控制電路自動投入運行，提高了設(shè)備的可靠性。
10.整個系統(tǒng)，電氣結(jié)構(gòu)簡單?？垢蓴_能力強，適應電爐煉鋼的惡劣環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制裝置，其特征在于所說的控制裝置由下列元件組成電弧電流檢測元件1，橋式整流2，濾波電路3，弧流限值處理4，電弧電壓檢測元件5，橋式整流6，濾波電路7，弧壓限值處理8，A/D轉(zhuǎn)換9，微處理機10，D/A轉(zhuǎn)換11，信號放大處理元件12，備用控制電路14，PI比例積分放大元件15，上升可控硅觸發(fā)器16，下降可控硅觸發(fā)器17，上升可控硅18，下降可控硅19，SD交流雙電機20，CF測速發(fā)電機21，微分電路22，單穩(wěn)態(tài)電路23和DJ繼電器24。
2.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于所說的控制裝置的工作過程如下(1)電弧電流檢測元件1將煉鋼時的交流電弧電流按比例取進來。經(jīng)過橋式整流2變成直流，由濾波電路3變成平直的電流，再經(jīng)弧流限值處理4，成為可進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的弧流信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換9，以數(shù)字量送入微處理機10;(2)電弧電壓檢測元件5將煉鋼時電極上的交流電弧電壓按比例取進來，經(jīng)過橋式整流6變成直流，由濾波電路7變成平直的直流，再經(jīng)弧壓限值處理8，成為可進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的弧壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換9，送入微處理機10。(3)微處理機10將測得的弧流、弧壓與給定的電力負荷曲線進行比較分析，計算得出一數(shù)字量的控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換11變成模量，經(jīng)信號放大處理元件12，變成所需的正、負控制電壓(4)微處理機10正常運行時能連續(xù)發(fā)出矩形脈沖，經(jīng)微分電路22，變成連續(xù)的一正一負的尖脈沖，其中的負脈沖使單穩(wěn)態(tài)電路23翻轉(zhuǎn)，在占空比足夠大時使DJ繼電器24牢固吸合，則常開接點DJ1閉合，微處理機10輸出的控制信號參加控制，若微處理機10出現(xiàn)故障，則DJ繼電器24的常閉觸點DJ2閉合，微處理機退出控制，控制信號由備用控制電路14供給;(5)控制信號與速度負反饋信號合成后，送入PI比例積分放大元件15，若PI輸出負電壓信號，則經(jīng)上升可控硅觸發(fā)器16，變成能觸發(fā)可控硅的脈沖信號去觸發(fā)上升可控硅18，可控硅連結(jié)為三相半控形式，以控制SD交流雙電機20的上升定子繞組的端電壓，使電機正轉(zhuǎn)，電極提升，電弧拉長，電流減小;若PI輸出正電壓信號，則經(jīng)下降可控硅觸發(fā)器17變成脈沖信號，去觸發(fā)下降可控硅19，以控制SD的下降定子繞組的端電壓，使電機反轉(zhuǎn)，電極下降，電弧縮短，電流加大;(6)通過CF測速發(fā)電機21將交流電機的速度反饋到比例積分放大元件15。
3.如權(quán)利要求1、2所述的控制裝置，其特征在于所述的弧流限值處理4由電位器R1、R3、電阻R2、R4、R5，穩(wěn)壓管W1，電子開關(guān)14051片，雙穩(wěn)態(tài)鎖存器7475片組成，所說的弧流限值處理4將從零到數(shù)倍額定弧流的大范圍變動弧流信號限制在零到小于3倍額定弧流范圍內(nèi)，弧流信號在R4、R5兩個電阻上等分，用兩個通道采樣求和來得到完整的弧流信號。
4.如權(quán)利要求1、2所述的控制裝置，其特征在于所述的弧壓限值處理8由電阻R7、R8、R10、R11，電位器R9、穩(wěn)壓管W2，電子開關(guān)14051片和雙穩(wěn)鎖存器7475片組成，所述的弧壓限值8的限弧壓信號不大于一定值，且達到要求的線性度，弧壓信號分兩部分檢測。
5.如權(quán)利要求1、2所述的控制裝置，其特征在于所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作過程為，微處理機通過外設(shè)寫信號IOW和接口地址片選信號PS6，經(jīng)或非門及反門后，送到電子開關(guān)14051片的3腳，根據(jù)地址線最低兩位A0、A1的狀態(tài)，分別選中3腳與13腳相通，或分別與14腳、15腳、12腳相通，即用電子開關(guān)選擇四個輸出通道中的一個，若3腳與13腳相通，則上述信號經(jīng)反門后送到對應的兩個四位雙穩(wěn)鎖存器7475片的4腳與13腳，兩個7475片即把要轉(zhuǎn)換成模量的八位數(shù)鎖存起來，并送到數(shù)模轉(zhuǎn)換片DAC0808的5至12腳，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，模量信號以電流信號從4腳輸出。
6.按權(quán)利要求1、2所述的控制裝置，其特征在于當微處理機按正常程序運行時，在PIO的B口的最高位，PB7發(fā)出連續(xù)均勻的矩形脈沖，該脈沖經(jīng)一反相器后加在微分電容1C上，得到一正一負尖脈沖，其中負脈沖使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)，從而使繼電器DJ得電，利用電容2C延時，使經(jīng)單穩(wěn)態(tài)整形的脈沖占空比盡量大，繼電器DJ牢固吸合，常開接點DJ1閉合，微處理機投入控制，當微處理機不正常運行時，無脈沖發(fā)出，由于電容1C的隔離作用，繼電器DJ不得電，微處理機退出運行，備用控制電路自動投入運行。
全文摘要
本發(fā)明是電弧爐電極自動調(diào)節(jié)器的微處理機控制裝置，由可控硅調(diào)壓電路及交流雙電機組成。
本發(fā)明的特征微處理機對電極速度按最優(yōu)控制理論適時瞬態(tài)控制，使調(diào)節(jié)器的靈敏度及非靈敏區(qū)自適應變化，從而使電弧燃燒穩(wěn)定。它能按給定的電力負荷曲線運行，采用有電弧電壓參加的恒定電流冶煉的原理，使爐料熔化加快，冶煉時間縮短，煉鋼電耗降低，傳動機械磨損減少。
文檔編號H05B7/152GK1031433SQ8710555
公開日1989年3月1日 申請日期1987年8月20日 優(yōu)先權(quán)日1987年8月20日
發(fā)明者莊斌星, 史清源 申請人:第一冶金建設(shè)公司機械廠